DE102004002386A1 - Antriebsanordnung für Hilfsaggregate - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Hilfsaggregat. Dieses kann ein Kühlaggregat mit einem Kompressor sein, das in einem mit einem Fahrantriebsmotor ausgestatteten Kraftfahrzeug angeordnet ist und Teil eines Temperaturregelkreises bildet. Zusätzlich kann auch ein Kompressor eines pneumatischen Systems oder die Pumpe eines hydraulischen Systems anzutreiben sein.
- Viele Kraftfahrzeuge, insbesondere Lastkraftwagen, Busse oder Campingfahrzeuge, enthalten eine Klimaanlage. Die Klimaanlage weist ein Kühlaggregat mit einem Kompressor auf. Der Kompressor des Kühlaggregats wird üblicherweise von dem Fahrantriebsmotor des Kraftfahrzeugs mit angetrieben. Das hat allerdings den Nachteil, daß das Kühlaggregat nur arbeitet, wenn der Fahrantriebsmotor läuft. Dann muss auch bei stehendem Fahrzeug der Fahrantriebsmotor in Betrieb bleiben, wenn eine Kühlung erforderlich ist. Es gibt auch Kühlwagen, bei denen eine Kühlkammer mit einer zu kühlenden Fracht durch ein Kühlaggregat gekühlt wird. Hierbei werden separate Kühlaggregate mit eigenem kleinen Verbrennungsmotor an der Außenseite des Fahrzeugs betrieben. Die Temperaturregelung erfolgt üblicherweise in Form einer Zweipunktregelung. Der Kompressor des Kühlaggregats wird eingeschaltet, wenn eine bestimmte obere Temperatur überschritten wird, und wird ausgeschaltet, wenn eine bestimmte untere Temperatur unterschritten wird. Dadurch erfolgt ein häufiges Ein- und Ausschalten des Kompressors in dem Regelspiel. Da der Kompressor ein erhebliches Antriebsdrehmoment benötigt, treten entsprechende Lastsprünge auf. Diese Lastsprünge führen zu erheblichen Drehzahlschwankungen des Antriebs.
- Ebenso sind viele Nutzfahrzeuge mit hydraulischen oder pneumatischen Systemen ausgestattet, die Zusatzaufgaben übernehmen. Beispielhaft sei eine Hubeinrichtungen zum Be- und Entladen eines Lkw aufgeführt. Normalerweise werden die Kompressoren und Pumpen dieser Systeme entweder direkt vom Fahrantrieb oder über einen, aus der Batterie gespeisten, Elektromotor angetrieben. Bei dem Einschalten eines solchen Zusatzsystems wird der Antrieb mit einem hohen Moment belastet, es treten Lastsprünge auf, welche wiederum zu Drehzahlschwankungen führen.
- Bei einem bekannten System wird ein Motor mit interner Verbrennung, zum Beispiel ein Otto- oder Diesel-Motor über die Kurbelwelle mit einem als ISAD (Integrated Starter Alternator Damper) bezeichneten elektrischen System verbunden. ISAD hat drei Funktionen. Im Generatorbetrieb erzeugt es Strom, der in eine Batterie eingespeist werden kann. In seiner Funktion als batteriebetriebene elektrische Maschine kann ISAD die Kurbelwelle beim Startvorgang des Motors gleich bis auf die Leerlaufdrehzahl antreiben und so u. a. zur Emissionsreduzierung beitragen. Hier arbeitet das ISAD immer entweder vollständig bei laufendem Motor als Generator oder vollständig als Antrieb während der Startphase. Weiterhin hat die elektrische Maschine eine Dämpfungsfunktion zur aktiven Dämpfung von unerwünschten Drehzahlschwankungen die zu Vibrationen führen.
- Aus der
DE 197 04 153 C2 ist eine ISAD-Anordnung bekannt, bei welcher eine Leerlauf-Steuerung vorgesehen ist, mit welcher neben der Drehzahlregelung auch Drehmomentsprünge durch Überlagerung eines Drehmoments ausgeglichen werden. Die Drehmomentsprünge können z.B. durch Aufschaltung einer Klimaanlage hervorgerufen werden. Bei dieser Anordnung erfolgt die Aufschaltung der Klimaanlage auf die Kurbelwelle des Fahrzeugmotors mit interner Verbrennung und hoher Leistung. - Es sind Hilfsantriebseinheiten (APU = Auxiliary Power Unit) bekannt, die unabhängig von dem Fahrantriebsmotor arbeiten. Diese Hilfsantriebseinheiten haben eine geringere Leistung als der Fahrantriebsmotor. Solche Hilfsantriebseinheiten können mit günstigerem Wirkungsgrad und geringerer Umweltbelastung z.B. einen Generator für die Stromerzeugung antreiben. Die Hilfsantriebseinheiten sind üblicherweise Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung. Es gibt aber auch Hilfsantriebseinheiten, die mit äußerer Verbrennung und z.B. einer Dampfinaschine arbeiten, wie
US 6,508,060 B2 zeigt. Auch sind APUs bekannt, die qualitäts- oder quantitätsgeregelt sind und dem Prinzip der inneren Verbrennung folgen. - Eine bekannte Hilfsantriebseinheit dieser Art weist einen geschlossenen Kreislauf mit einem Tank, einer Speisepumpe, einem Dampferzeuger, einer von dem Dampf angetriebenen Dampfinaschine und einem Kondensator auf, von welchem das kondensierte Wasser wieder in den Tank zurückfließt. Der Dampferzeuger wird mittels eines Brenners beheizt. Eine solche Hilfsantriebseinheit lässt sich sehr schadstoffarm betreiben. Die Leistungs- und Drehzahlregelung der Hilfsantriebseinheit erfolgt thermisch durch Veränderung der Brennerleistung und dem von der Speisepumpe zugeführten Wasserstrom.
- Es sind unter der Bezeichnung „Ultra Cap" Kondensatoren sehr hoher Kapazität bekannt. Solche „Ultra Cap"-Kondensatoren sind elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren, die aus zwei Elektroden aus Aktivkohle bestehen, welche in einen Elektrolyten eingetaucht sind. Wenn die Elektroden chemisch aufgeladen sind, bewegen sich die Ionen des Elektrolyten unter dem Einfluß des elektrischen Feldes zu den Elektroden entgegengesetzter Ladung hin. In dem geladenen Zustand befindet sich ein Teil der Anionen und Kationen in einer Grenzschicht vor den Elektroden, so daß sie den Ladungsüberschuß in der Aktivkohle kompensieren. Somit ergeben sich an den Phasengrenzen zwischen Kohle und Elektrolyt zwei schichten von Ladungsüberschuß von entgegengesetzter Polarität. Man bezeichnet das als elektrochemische Doppelschicht. Der hohe Energieinhalt von „Ultra Caps" beruht auf dem Aktivkohle-Elektrodenmaterial, welches eine extrem hohe spezifische Oberfläche von etwa 2000 m2/g besitzt, und dem extrem kurzen Abstand zwischen den entgegengesetzten Ladungen des Kondensators, der in der Größenordnung von wenigen nm liegt. Damit können Kapazitäten von einigen tausend Farad erzeugt werden. Ultra Caps besitzen einen sehr geringen Innenwiderstand. Solche „Ultra Cap"-Doppelschichtkondensatoren werden von der EPCOS AG, München vertrieben.
- Durch die
DE 101 03 995 A1 ist eine Vorrichtung zum Starten von Verbrennungsmotoren mit einem Startgenerator und einem Akkumulator bekannt, der eine erste Bordspannung liefert. Ein Kurzzeitspeicher in Form eines Doppelschichtkondensators erzeugt eine zweite Bordspannung und liefert die Startleistung für den Startgenerator. Über einen uni- oder bidirektionalen Wandler wird der Doppelschichtkondensator aus dem Akkumulator aufgeladen. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung der eingangs genannten Art mit einem Temperaturregelkreis das Kühlaggregat mit Kompressor unabhängig von dem Fahrantriebsmotor zu betreiben. Eine vergleichbare Aufgabenstellung ergibt sich wenn man bei einer Anordnung der eingangs genannten Art ein pneumatisches bzw. hydraulisches Hilfsaggregat betreiben will.
- Da die Lastsprungcharakteristik von pneumatischen oder hydraulischen Systemen vergleichbar zu der eines Kühlaggregats ist, soll die Beschreibung des Gesamtsystem exemplarisch an einem Kompressors einer Kühleinrichtung erfolgen.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
- (a) das Kühlaggregat oder die Hilfsaggregate mit einer vom Fahrantriebsmotor unabhängigen, thermisch drehzahlgeregelten Hilfsantriebseinheit mit äußerer Verbrennung gekuppelt ist,
- (b) mit der Hilfsantriebseinheit weiterhin eine elektrische Maschine gekoppelt ist, über die als Generator ein elektrischer Energiespeicher aufladbar ist und
- (c) eine Drehzahlregelung vorgesehen ist, durch welche bei Lastschwankungen, die durch Einschalten des Kompressors auftreten, zur Konstanthaltung der Drehzahl der Hilfsantriebseinheit zusätzlich zu der thermischen Drehzahlregelung ein Zusatzmoment durch die elektrische Maschine und den elektrischen Energiespeicher erzeugbar ist.
- Der Kompressor wird somit von einer von dem Fahrantriebsmotor unabhängigen Hilfsantriebseinheit angetrieben, nicht von dem Fahrantriebsmotor. Die Hilfsantriebseinheit ist eine Hilfsantriebseinheit mit äußerer Verbrennung, also beispielsweise eine Expansionskraftmaschine, die mit Dampf von einem durch einen Brenner beheizten Dampferzeuger betrieben wird. Das Kühlaggregat kann daher auch arbeiten, wenn der Fahrantriebsmotor abgeschaltet ist. Die Hilfsantriebseinheit hat üblicherweise eine wesentlich geringere Leistung als der Fahrantriebsmotor. Die Hilfsantriebseinheit mit äußerer Verbrennung ist umweltfreundlich. Der Brenner erzeugt kaum Schadstoffe, so daß die Hilfsantriebseinheit auch über längere Zeit bei stehendem Fahrzeug arbeiten kann. Die Drehzahl der Hilfsantriebseinheit wird normalerweise thermisch geregelt, d. h. zur Erhöhung der Drehzahl wird die Brennerleistung erhöht und über die Erhöhung der Drehzahl einer Speisepumpe die zugeführte Menge an Arbeitsmittel vergrößert. Es sind auch Hilfsantriebseinheiten mit äußerer Verbrennung bekannt, die nur über die Temperatur des Arbeitsgases geregelt werden, welche wiederum durch die zugeführte Wärmeleistung und den Druck des Arbeitsmediums bestimmt werden (http://www.stirling-engine.de/funktion.html). Solche thermischen Regelungen sind relativ träge. Bei Hilfsantrieben mit innerer Verbrennung erfolgt die Drehzahlregelung entweder durch die Menge des zugeführten Kraftstoffs (Qualitätsregelung) oder die Menge des Kraftstoffgemischs (Quantitätsregelung). Die Hilfsantriebseinheit treibt auch die elektrische Maschine, die im Normalbetrieb als Generator einen Ladestrom für die Batterie erzeugt.
- Eine solche Hilfsantriebseinheit mit einer im Vergleich zum Fahrantriebsmotor üblicherweise geringen Leistung und träger thermischer Regelung erscheint zunächst nicht geeignet, einen Kompressor eines Kühlaggregats anzutreiben, der durch eine Temperaturregelung im Regelspiel ein- und ausgeschaltet wird und dabei erhebliche Lastsprünge an der Hilfsantriebseinheit hervorruft. Die thermische Regelung kann solchen Lastsprüngen nicht schnell genug folgen. Ein sprunghafter Lastanstieg führt dann zu einem starken Drehzahlabfall und könnte sogar zum Stillstand der Hilfsantriebseinheit führen. Es hat sich aber gezeigt, daß der Einsatz einer Hilfsantriebseinheit mit äußerer Verbrennung zum Antrieb auch des geregelten Kompressors doch möglich ist, wenn die auch mit der Hilfsantriebseinheit gekuppelte elektrische Maschine bei einem durch Einschalten des Kompressors auftretenden Drehzahlabfall als Motor vorübergehend ein zusätzliches Drehmoment zum Antrieb des Kompressors ausbringt, bis die Leistung der Hilfsantriebseinheit über die Brennerleistung nachgeregelt ist. Umgekehrt wirkt bei einem sprunghaften Abschalten der Kompressor die elektrische Maschine als Generator und bremst die bei der erhöhten Brennerleistung sonst hochlaufende Hilfsantriebseinheit unter Erzeugung eines Ladestromes für den elektrischen Energiespeicher. Dadurch wird auch in diesem Fall die Drehzahl der Hilfsantriebseinheit konstant gehalten.
- Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
-
1 ist ein Blockdiagramm einer Antriebsanordnung zum Antreiben eines Kühlaggregats, durch welches die Kabine eines Fahrzeugs temperaturgeregelt gekühlt wird, und einem zusätzlichen hydraulischen oder pneumatischen Hilfssystem. -
2 ist ein Blockdiagramm der miteinander verknüpften Regelkreise für Drehzahl n der Hilfsantriebseinheit, Batteriespannung Ubat und Temperatur T in der klimatisierten Fahrerkabine. -
3 ist ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs einer Lastmomentänderung, die durch Einschalten eines Kompressors auftritt, des von der Hilfsantriebseinheit aufgebrachten Moments und eines Zusatzmoments, das von der elektrischen Maschine aufgebracht wird. -
4 zeigt die Parallelschaltung einer konventionellen Batterie mit einem Doppelschichtkondensator („Ultra Cap") anstelle der Batterie34 in3 . - In
1 ist mit10 eine Hilfsantriebseinheit (APU) bezeichnet. Die Hilfsantriebseinheit10 enthält einen geschlossenen Kreis mit einem Tank12 mit einem Arbeitsmedium, einer Speisepumpe14 , einem von einem Brenner beheizten Dampferzeuger16 , eine Expansionskraftmaschine18 , die von dem Dampf des Dampferzeugers16 beaufschlagt ist, und einem Kondensator20 , der den Dampf vom Ausgang der Expansionskraftmaschine18 kondensiert, wobei das kondensierte Arbeitsmedium, z.B. Wasser, in den Tank zurückgeleitet wird. Die Speisepumpe14 fördert dabei das Arbeitsmedium in den Dampferzeuger16 . Zwischen dem Dampferzeuger16 und der Expansionskraftmaschine18 ist ein stetig arbeitendes Verteilerventil22 angeordnet, durch welches der Dampf von dem Dampferzeuger16 abhängig von der Stellung des Verteilerventils22 nur auf eine zu der Expansionskraftmaschine18 parallele Umgehungsleitung24 , mit stetigem Übergang sowohl auf die Umgehungsleitung24 als auch auf die Expansionskraftmaschine oder nur auf die Expansionskraftmaschine18 aufschaltbar ist. - An die Expansionskraftmaschine
18 ist einerseits eine elektrische Maschine26 gekuppelt, die sowohl als Generator als auch als Elektromotor arbeiten kann. Zum anderen ist die Expansionskraftmaschine18 mit einem Kompressor28 eines Kühlaggregats30 und einer Pumpe oder Kompressor27 eines hydraulischen oder pneumatischen Hilfsaggregats37 kuppelbar. Durch die elektrische Maschine26 ist über eine drehzahlregelnde Leistungselektronik32 ein Stromspeicher aufladbar, der beispielsweise eine mit chemischen Umsetzungen an Elektroden arbeitenden Batterie34 eines Fahrzeugs36 sein kann. Der Stromspeicher kann aber auch z.B. ein Doppelschichtkondensator der oben beschriebenen Art oder eine Kombination einer konventionellen Batterie mit einem oder mehreren solcher Doppelschichtkondensatoren sein. Nachstehend wird generell von einer Batterie34 gesprochen. Die drehzahlregelnde Leistungselektronik32 bewirkt, daß die elektrische Maschine26 bei Ansteigen der Drehzahl der Expansionskraftmaschine18 über einen Sollwert als Generator wirkt und ein Bremsmoment auf die Welle38 der Expansionskraftmaschine18 ausübt. Dabei wird der Batterie34 ein Ladestrom zugeführt. Bei Unterschreiten des Sollwertes der Drehzahl wird die elektrische Maschine26 als Motor betrieben und erzeugt ein zusätzliches Antriebsdrehmoment an der Welle38 . Das Kühlaggregat hält die Temperatur in der Fahrerkabine des Fahrzeugs auf einer vorgegebenen Temperatur. - In der Darstellung der Antriebseinheit ist mit Q ·B die von dem (nicht dargestellten) Brenner zugeführte Wärmeleistung bezeichnet. Mit Q ·C ist die Wärmeleistung bezeichnet, die in dem Kondensator
20 zur Kondensation des Arbeitsmediums abgeführt wird. Das kondensierte Arbeitsmedium wird durch eine Pumpe40 in den Tank12 gefördert. Mit42 ist ein Antriebsmotor für die Speisepumpe14 bezeichnet. Die elektrische Maschine26 sitzt mit dem Kompressor28 auf der gemeinsamen Welle38 . -
2 ist ein Blockdiagramm und zeigt die miteinander verknüpften Regelkreise für die drei Regelgrößen, nämlich Drehzahl nWelle der Welle38 der Hilfsantriebseinheit10 , Batteriespannung UBat und Kabinentemperatur T50 . - Mit
44 ist die Fahrerkabine des Fahrzeugs36 bezeichnet. Für diese Fahrerkabine44 ist eine Solltemperatur Tsoll46 vorgegeben. Die vorgegebene Solltemperatur Tsoll46 liegt mit positivem Vorzeichen an einem Summierpunkt48 an. Mit negativem Vorzeichen ist die gemessene Isttemperatur T50 der Fahrerkabine44 auf den Summierpunkt48 aufgeschaltet. Der Summierpunkt48 liefert die Regelabweichung ΔT52 an einen Temperaturregler54 . Der Temperaturregler54 liefert ein Reglerausgangssignal56 an das Kühlaggregat30 , das als Stellglied des Temperatur-Regelkreises dient. Das Reglerausgangssignal für die Temperaturregelung ist üblicherweise ein Zweipunkt-Regelsignal, also ein Signal, durch welches der Kompressor28 des Kühlaggregats30 ein- oder ausgeschaltet wird. - Das Kühlaggregat
30 reagiert auf das Zweipunkt-Regelsignal56 in zweifacher Weise: Bei Einschalten des Kompressors30 erhöht sich das Lastmoment sprungartig; beim Ausschalten vermindert sich das Lastmoment entsprechend. Diese Erhöhung bzw. Verminderung des Lastmoments wirkt auf die Welle38 . Das ist in2 durch Aufschaltung einer Größe Mkomp58 mit negativem Vorzeichen auf einen Summierpunkt60 dargestellt. Weiterhin wird der Fahrerkabine44 eine Wärmeleistung Q ·62 entzogen. Das ist in2 durch Aufschaltung einer Größe Q ·62 mit negativem Vorzeichen auf einen Summierpunkt64 dargestellt. Es ist hier angenommen, daß die Fahrerkabine44 näherungsweise eine Übertragungsfunktion 1/s hat, d.h. daß die entzogene Wärmeleistung integriert die dadurch hervorgerufene Temperatur T liefert. - Bei Aktivierung eines hydraulischen oder pneumatischen Hilfssystems
37 wird durch die Pumpe oder Kompressor27 ein zusätzliches Lastmoment Mp104 auf die Welle38 aufgebracht, was durch die negative Aufschaltung auf den Summierpunkt60 dargestellt ist. - Mit
66 ist ein CHP-Steuergerät bezeichnet. Das Steuergerät66 verknüpft die verschiedenen Regelkreise. Auf einen Eingang der des Steuergeräts ist die Drehzahl nWelle68 der Welle38 aufgeschaltet. Es wird davon ausgegangen, daß die Übertragungsfunktion der Welle ebenfalls 1/s ist, d. h. die wirksamen Drehmomente von dem Summierpunkt60 integriert zu einer Änderung der Drehzahl nWelle68 führen. An einem zweiten Eingang des Steuergeräts liegt die Temperaturdifferenz ΔT52 an. Der dritte Eingang erhält von einem Laderegler72 einen Sollwert70 für die Ladeleistung, mit welcher die Batterie34 geladen werden soll. - Das Steuergerät
66 hat vier Ausgänge, wovon drei auf die Hilfsantriebseinheit10 geschaltet sind. Über diese Ausgänge werden die drei Stellgrößen an die Hilfsantriebseinheit10 übergeben, die deren Betriebsparameter bestimmen. Die erste Stellgröße ist der Stellwinkel74 des Verteilerventils22 . Über den zweiten Ausgang wird der Sollwert PBrenner76 der Brennerleistung übertragen. Die dritte Stellgröße ist der Sollwert der Drehzahl npumpe78 des Motors42 und der Speisewasserpumpe14 , die den Massenstrom durch den Dampferzeuger16 bestimmt. Bei Hilfsantriebseinrichtungen mit Verbrennung äußerer Art, die nur durch die Brennerleistung und den Druck des Arbeitsgases geregelt sind, werden nur zwei Stellgrößen vom Steuergerät übermittelt. Bei APUs mit innerer Verbrennung bedarf es nur einer Stellgröße. Die Hilfsantriebseinheit10 liefert dementsprechend ein Drehmoment M82 und eine Wärmeleistung QQ ·84 als Abwärme. Das Drehmoment M82 wirkt auf die Welle38 . Das ist dadurch dargestellt, daß eine Größe M82 auf den Summierpunkt60 mit positivem Vorzeichen aufgeschaltet ist. - Ein Block
92 in2 stellt die elektrische Maschine26 mit dem Laderegler32 und der Batterie34 dar. Ein vierter Ausgang des Steuergeräts66 gibt einen Sollwertes MMasch.soll80 des Drehmomentes vor, das von der elektrischen Maschine26 aufgenommen oder abgegeben werden soll. Dementsprechend wirkt an der elektrischen Maschine ein Drehmoment MMasch·88 als Last- oder Antriebsmoment. Es fließt ein Strom IMasch90 entweder als Ladestrom zu der Batterie34 oder als Motorstrom von der Batterie34 zu der elektrischen Maschine. Das ist in2 dadurch dargestellt, daß eine Größe MMasch88 mit positivem Vorzeichen auf den Summierpunkt60 aufgeschaltet ist, wobei als positiv ein Drehmoment gewertet wird, das von der als Motor arbeitenden elektrischen Maschine26 auf die Welle38 ausgeübt wird. Der Ladestrom IMasch90 verändert die Batteriespannung, wobei für die Batterie34 wieder eine Übergangsfunktion 1/s angenommen ist. - Mit
96 ist der Kühler des Fahrzeugs36 bezeichnet. Der Kühler96 führt Wärme Q ·Kühler100 ab. Das ist durch einen Summierpunkt94 dargestellt, auf den die Abwärme QQ ·84 der Hilfsantriebseinheit10 mit positivem Vorzeichen und die von dem Kühler abgeführte Wärme mit negativem Vorzeichen aufgeschaltet ist. Die Summe vom Summierpunkt94 ist mit positivem Vorzeichen auf den Summierpunkt64 aufgeschaltet. Die Insassenkabine98 gibt die Wärme Kabine102 nach außen ab, welche deshalb mit negativen Vorzeichen auf den Summierpunkt64 aufgeschaltet wird. - Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:
Die Hilfsantriebseinheit10 wird mit den Parametern74 76 78 so betrieben, daß sich eine bestimmte Drehzahl der Welle ergibt. Das von der Hilfsantriebseinheit aufgebrachte Drehmoment treibt die elektrische Maschine26 , so daß diese die Batterie34 auf einer gewünschten Batteriespannung hält. Die Temperaturregelung erfolgt in Form einer Zweipunktregelung. Der Kompressor28 des Kühlaggregats30 sei zunächst abgeschaltet. Wenn nun eine vorgegebene Temperatur T50 in der Fahrerkabine überschritten wird, die Regelabweichung ΔT52 also ein bestimmtes Maß überschreitet, wird der Kompressor28 des Kühlaggregats30 angeschaltet. Es erfolgt dann eine sprunghafte Änderung des Lastmomentes um den Betrag MKomp58 . Das erhöhte Lastmoment wirkt, wie im Summierpunkt60 dargestellt, dem von der Hilfsantriebseinheit10 erzeugten Antriebsmoment82 entgegen. Dadurch fällt die Drehzahl nWelle68 der Welle38 ab. Auch durch die Aktivierung eines hydraulischen oder pneumatischen Hilfsaggregats37 und der damit einhergehenden Belastung der Hilfsantriebseinheit10 durch das Moment Mp104 der Pumpe oder des Kompressors27 reduziert sich die Drehzahl der Welle. Die Änderungen von Brennerleistung PBrenner76 und Drehzahl nPumpe78 der Speisepumpe14 oder die Stellwinkel φ74 des Ventils22 , die von dem Steuergerät66 vorgegeben wird, bewirkt eine Erhöhung des von der Hilfsantriebseinheit10 abgegebenen Drehmoments M82 . Diese Nachregelung des Drehmoments erfolgt aber thermisch und daher mit einer gewissen Trägheit. Das führt zu einem starken Absinken der Drehzahl nWelle68 und kann dazu führen, daß die Hilfsantriebseinheit10 stehenbleibt. - Das Steuergerät initiiert daher ein zusätzlich wirkendes Antriebssollmoment MMasch.soll
80 für die elektrische Maschine26 . Die elektrische Maschine26 entnimmt daher Strom IMasch90 von der Batterie34 und arbeitet als Motor. Sie unterstützt daher vorübergehend und mit geringerer Trägheit das langsamer ansteigende Antriebsdrehmoment M der Hilfsantriebseinheit10 . Durch die ausgleichende Regelung der Antriebs- und Abtriebsmomente bleibt die Drehzahl der Welle nwelle68 im wesentliche konstant. - Das ist in
3 in einem M-t-Diagramm dargestellt: In Zeitpunkt t1 wird plötzlich der Kompressor28 zugeschaltet. Das Lastmoment, dargestellt durch die Kurve110 steigt twischen t1 und t2 steil an. Das Antriebsmoment der Hilfsantriebseinheit10 , dargestellt durch Kurve112 , steigt wesentlich langsamer und erreicht erst im Zeitpunkt t3 seinen Höchstwert. Diese Verzögerung im Anstieg des Antriebsdrehmoments M der Hilfsantriebseinheit10 wird kompensiert durch ein Drehmoment MMasch, das von der elektrischen Maschine26 abgegeben wird. Dieses Drehmoment ist durch die gestrichelte Kurve114 dargestellt. Das Drehmoment MMasch der elektrischen Maschine26 steigt im Zeitraum von t1 bis t2 an und kompensiert so den langsameren Anstieg der Kurve112 . Die Summe der Antriebsmomente von Hilfsantriebseinheit10 und elektrischer Maschine26 steigt dann -positiv- mit der gleichen Steigung an wie das Lastmoment von Kurve110 . Die Summe ist durch die positive Kurve116 dargestellt. Das Lastmoment MKomp gemäß Kurve110 bleibt dann konstant. Solange das Moment M der Hilfsantriebseinheit noch nicht im Zeitpunkt t3 ihren Gleichgewichtswert erreicht hat, liefert die elektrische Maschine26 noch ein Antriebsmoment. Dieses Antriebsmoment sinkt aber bis zum Zeitpunkt t3 ab mit der negativen Steigung der Kurve112 . Wie dargestellt, schwingt das Antriebsmoment der Hilfsantriebseinheit etwas über. Dementsprechend sinkt die Kurve114 etwas unter die Nullinie ab. Man sieht, daß der Verlauf86 des resultierenden Antriebsdrehmoments spiegelbildlich zu dem Verlauf110 des Lastmomentes ist. Die Drehzahl nWelle68 der Welle38 bleibt konstant. - Ein Unterschreiten der Nulllinie durch das Drehmoment der elektrischen Maschine
26 bedeutet, daß die elektrische Maschine26 jetzt als Generator arbeitet. Dieser Generator bremst die Welle38 , stellt also auch ein Lastmoment dar, und liefert Strom IMasch90 an die Batterie34 . -
3 zeigt auch den Fall, daß im Regelspiel der Temperaturregelung der Kompressor28 abgeschaltet wird. Jetzt erfolgt in Kurve110 ein relativ steiler Lastabfall zwischen den Zeitpunkten t4 und t5. Der Abfall des Antriebsdrehmomentes der Hilfsantriebseinheit10 gemäß Kurve112 erfolgt mit Verzögerung. Jetzt arbeitet die elektrische Maschine26 als Generator und erzeugt in Kurve114 ein Lastmoment. Das ist negativ in3 . Dieses Lastmoment steigt zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 an. Kurve114 fällt ab. Im Zeitpunkt t5 wird das Lastmoment (Kurve110 ) wieder konstant. Das Lastmoment der als Generator arbeitenden elektrischen Maschine26 fällt wieder ab und wird zum schwachen Antriebsmoment, wenn das Antriebsmoment der Hilfsantriebseinheit10 jenseits des Zeitpunktes t5 absinkt aber dabei immer noch größer ist als das Lastmoment des Kompressors28 . Schließlich geht das Antriebsmoment der Hilfsantriebseinheit10 gemäß Kurve112 auch zu einem konstanten Wert über, wobei auch das Moment der elektrischen Maschine konstant wird. Auch hier ist sichergestellt, daß die Summe der Antriebsmomente spiegelbildlich dem Verlauf des durch die Zu- und Abschaltung des Kompressors hervorgerufenen Lastmoment folgt. - Es erfolgt also eine Temperaturregelung der Temperatur T
50 in der Fahrerkabine durch Ein- und Ausschalten des Kompressors28 . Die dabei infolge der Trägheit der Hilfsantriebseinheit10 auftretenden Drehzahlschwankungen der Welle38 werden über eine Drehzahlregelung herausgeregelt, deren Stellglied die elektrische Maschine26 ist, welche entweder als Motor ein Antriebsdrehmoment oder als Generator ein zusätzliches Lastmoment erzeugt. Dadurch wird es möglich, für den Antrieb des Kühlaggregats30 eine vom Fahrantriebsmotor unabhängige, schadstoffarme Hilfsantriebseinheit mit äußerer Verbrennung zu verwenden. - Wenn keine Lastsprünge zu kompensieren sind, arbeitet der Laderegler
72 in dem Regelkreis des CHP-Steuergeräts66 , elektrische Maschine26 mit Elektronik32 , Batterie34 und Laderegler72 so, daß die Batteriespannung UBatt auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird. Das hierzu erforderliche Antriebsmoment MMasch80 wird von der Hilfsantriebseinheit aufgebracht. - In
3 ist als Stromspeicher eine „Batterie" dargestellt. In manchen Fällen wird eine konventionelle, mit chemischen Umsetzungen an Elektroden arbeitende Batterie nicht ausreichen, hinreichend schnell die elektrische Energie für das erforderliche Drehmoment an dem als Motor arbeitenden Generator zur Verfügung zu stellen. Vorteilhafterweise enthält daher der Stromspeicher34 einen Doppelschichtkondensator („Ultra Cap") der vorstehend geschilderten Art. Ein solcher Doppelschichtkondensator vermag wegen seines geringen Innenwiderstandes sehr schnell hohe Ströme zu liefern. Der Doppelschichtgenerator kann daher nicht nur hinreichend hohe Energie speichern sondern im Bedarfsfall auch in entsprechend kurzer Zeit hohe elektrische Leistungen liefern, um das erhöhte Drehmoment z.B. beim Anschalten des Kompressors28 für die erforderliche Übergangszeit aufzubringen. In4 ist eine konventionelle Batterie, z.B. ein Bleiakkumulator,120 dargestellt, zu welcher ein Doppelschichtkondensator122 parallel geschaltet ist. Diese Kombination übernimmt die Funktion von Block34 in3 .
Claims (9)
- Antriebsanordnung für ein Hilfsaggregat (
37 ) mit einer Pumpe bzw. Kompressor (27 ) oder für ein Kühlaggregat (30 ) mit einem Kompressor (28 ), das in einem mit einem Fahrantriebsmotor ausgestatteten Kraftfahrzeug (36 ) angeordnet ist und Teil eines Temperaturregelkreises bildet, dadurch gekennzeichnet, daß (a) das Hilfsaggregat (27 ) oder Kühlaggregat (30 ) mit einer vom Fahrantriebsmotor unabhängigen, thermisch drehzahlgeregelten Hilfsantriebseiheit (10 ) mit äußerer Verbrennung gekuppelt ist, (b) mit der Hilfantriebseinheit (10 ) weiterhin eine elektrische Maschine (26 ) gekuppelt ist, über die als Generator ein Stromspeicher (34 ) aufladbar ist und (c) eine Drehzahlregelung vorgesehen ist, durch welche bei Lastschwankungen, die durch Einschalten des Kompressors oder Pumpe (27 ,28 ) auftreten, zur Konstanthaltung der Drehzahl (nWelle) der Hilfsantriebseinheit (10 ) zusätzlich zu der thermischen Drehzahlregelung ein Zusatzmoment durch die elektrische Maschine (26 ) und den Stromspeicher (34 ) erzeugbar ist. - Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspeicher eine mit chemischen Umsetzungen an Elektroden arbeitende Batterie (
34 ) umfaßt. - Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspeicher eine Kondensatoranordnung hoher Kapazität umfaßt:
- Antriebsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoranordnung einen „Ultra Cap"-Kondensator enthält.
- Antriebsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein „Ultra Cap"-Kondensator zu der mit chemischen Umsetzungen an Elektroden arbeitenden Batterie parallelgeschaltet ist.
- Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturregelkreis einen Zweipunktregler (
48 ) aufweist, durch welchen der Kompressor (28 ) ein- und ausschaltbar ist. - Antriebsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsantriebseinheit (
10 ) einen geschlossenen Kreis mit einem Tank (20 ) von Arbeitsmedium, eine Speisepumpe (14 ) und einen durch einen Brenner beheizten Dampferzeuger (16 ), eine vom Dampf des Dampferzeugers (16 ) beaufschlagte Expansionskraftmaschine (18 ) und einen Kondensator (20 ) mit dem Tank (12 ) verbundenen aufweist, wobei die Speisepumpe (14 ) Arbeitsmedium aus dem Tank (12 ) in den Dampferzeuger (16 ) fördert. - Antriebsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein CHP-Steuergerät (
66 ) vorgesehen ist, auf welche als Eingangsgrößen die Drehzahl (nWelle68 ) einer Welle (38 ) der Hilfsantriebseinheit (10 ), der Temperaturdifferenzwert (ΔT52 ) und eine kommandierte Leistung (Psoll70 ) von einem an der Batterie liegenden Laderegler (72 ) aufgeschaltet sind, und die als Ausgangsgrößen zur Steuerung der Hilfsantriebseinheit (10 ) einen kommandierten Stellwinkel (φ74 ) des Ventils, eine kommandierte Brennerleistung (PBrenner76 ) und eine kommandierte Drehzahl (68 ) der Speisepumpe (14 ) auf die Hilfsantriebseinheit (10 ) und ein kommandiertes Drehmoment (MMasch soll72 ) auf eine Leistungselektronik (32 ) der elektrischen Maschine (26 ) aufschaltet. - Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsantriebseiheit (
10 ) nach dem Prinzip der inneren Verbrennung betrieben wird und die Drehzahlregelung quantitativer oder qualitativer Art ist.
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